Já alguma vez se perguntou como é que podemos cortar com precisão materiais duros como o vidro e a cerâmica? Neste artigo, exploramos a maquinação por ultra-sons, uma tecnologia fascinante que utiliza vibrações de alta frequência para moldar materiais duros e frágeis. Saiba mais sobre os seus princípios, aplicações e a incrível precisão que oferece.
A maquinagem por descarga eléctrica (EDM) e a maquinagem eletroquímica (ECM) só podem processar materiais metálicos condutores e não podem trabalhar com materiais não condutores não metálicos.
Em contraste, a maquinação ultra-sónica (USM) não só permite o processamento de materiais metálicos frágeis e duros, como ligas duras e aço endurecido, mas também é mais adequada para trabalhar com materiais não metálicos não condutores, como vidro, cerâmica, semicondutores, germânio e bolachas de silício.
Além disso, o USM pode ser utilizado para aplicações como a limpeza, a soldadura e os ensaios não destrutivos.
A soldadura por ultra-sons utiliza ondas de vibração de alta frequência transmitidas às superfícies de dois objectos que necessitam de ser soldados. Sob pressão, as duas superfícies friccionam-se uma contra a outra, resultando na fusão entre as camadas moleculares.
Os componentes necessários para a soldadura por ultra-sons incluem um gerador de ultra-sons, um conversor, um amplificador e ferramentas de soldadura.
Os componentes primários de um sistema de soldadura por ultra-sons incluem um conjunto triplo de gerador de ultra-sons, transdutor, reforços, cabeça de soldadura, molde e estrutura.
A soldadura por ultra-sons envolve a conversão de uma corrente de 50/60 Hz em energia eléctrica de 15, 20, 30 ou 40 KHz através de um gerador de ultra-sons. A energia eléctrica de alta frequência convertida é novamente transformada em movimento mecânico da mesma frequência através de um transdutor.
Posteriormente, o movimento mecânico é transferido para a cabeça de soldadura através de um conjunto de dispositivos de reforço que podem alterar a amplitude. A cabeça de soldadura transporta a energia vibratória recebida até à junta da peça a soldar. Nesta região, a energia vibracional é convertida em energia térmica através do atrito, fundindo as áreas a serem soldadas.
Os ultra-sons podem ser utilizados não só para soldar metais e plásticos termoendurecíveis, mas também para processar tecidos e películas.
Especificamente, maquinagem por ultra-sons (USM) é um método de processamento de materiais duros e frágeis através da utilização de vibração ultra-sónica na face final da ferramenta, combinada com a ação de suspensão abrasiva.
O USM é o resultado dos efeitos combinados do impacto mecânico e da trituração abrasiva causada pela vibração dos abrasivos sob ondas ultra-sónicas, sendo o impacto contínuo dos abrasivos o fator principal.
Durante o processo de maquinação por ultra-sons, é introduzida uma suspensão de líquido e mistura abrasiva entre a cabeça da ferramenta e a peça de trabalho. É aplicada uma ligeira pressão na direção da vibração da cabeça da ferramenta.
A frequência ultra-sónica gerada pelo gerador de ultra-sons é transformada em vibrações mecânicas pelo transdutor. A amplitude é amplificada para 0,01-0,15 mm pela haste de amplitude e depois transmitida à ferramenta.
A face da extremidade da ferramenta é levada a vibrar ultra-sonicamente, fazendo com que as partículas abrasivas na suspensão tenham um impacto contínuo e desbastem a superfície da peça de trabalho a uma velocidade elevada. Isto resulta no esmagamento do material na área de maquinação em partículas finas, que são depois removidas do material.
Embora cada impacto remova uma pequena quantidade de material, a alta frequência de mais de 16.000 impactos por segundo permite uma certa velocidade de processamento.
Ao mesmo tempo, o impacto hidráulico e o fenómeno de cavitação provocado pela vibração ultra-sónica na extremidade da ferramenta resultam na penetração do líquido nas fissuras do material da peça, acelerando o processo de destruição.
O impacto hidráulico também força o fluido de trabalho da suspensão a circular na fenda de maquinação, assegurando a renovação atempada das partículas abrasivas gastas.
1) Princípio da soldadura de metais por ultra-sons
O princípio da soldadura de metais por ultra-sons envolve a utilização de energia mecânica vibratória a frequências ultra-sónicas (superiores a 16KHz) para ligar metais idênticos ou diferentes metais de uma forma única.
Durante o processo ultrassónico processo de soldaduraA energia vibratória é simplesmente convertida em trabalho de fricção e energia de deformação entre as peças, juntamente com um aumento limitado da temperatura, sob pressão estática. A energia vibratória é simplesmente convertida em trabalho de fricção e energia de deformação entre as peças, juntamente com um aumento limitado da temperatura, sob pressão estática.
A ligação termoquímica entre as juntas é um processo de soldadura em estado sólido que ocorre sem a fusão do material de base. Como tal, ultrapassa eficazmente os problemas de salpicos e oxidação que ocorrem durante soldadura por resistência.
As máquinas de soldadura de metal por ultra-sons podem realizar soldadura de ponto único, soldadura multiponto e soldadura de tira curta em fios finos ou materiais de folha fina de metais não ferrosos como cobre, prata, alumínio e níquel. São amplamente utilizadas para soldar cabos de tiristores, tiras de fusíveis, cabos eléctricos, peças de pólo de baterias de lítio e orelhas de pólo.
2) Princípio da soldadura de plásticos por ultra-sons
Quando as ondas ultra-sónicas actuam sobre a superfície de contacto dos materiais termoplásticos, geram vibrações de alta frequência dezenas de milhares de vezes por segundo. Esta vibração de alta frequência, quando atinge uma certa amplitude, é transmitida à zona de soldadura através da soldadura, convertendo a energia ultra-sónica em calor.
A resistência sonora na junção das duas soldaduras na área de soldadura é grande, gerando assim altas temperaturas locais. Devido à fraca condução de calor dos plásticos, o calor não pode ser dissipado rapidamente e acumula-se na área de soldadura, fazendo com que as superfícies de contacto dos dois plásticos derretam rapidamente.
Com a aplicação de uma certa pressão, os plásticos fundem-se num só. Quando as ondas ultra-sónicas cessam, a pressão é mantida durante alguns segundos para permitir a solidificação, formando uma cadeia molecular robusta para atingir o objetivo da soldadura. A resistência à soldadura pode aproximar-se da força do material original.
A qualidade da soldadura de plástico por ultra-sons depende de três factores: a amplitude da cabeça de soldadura do transdutor, a pressão aplicada e o tempo de soldadura. Tanto o tempo de soldadura como a pressão da cabeça de soldadura podem ser ajustados, enquanto a amplitude é determinada pelo transdutor e pela haste de amplitude.
Estes três factores interagem e têm um valor ótimo. Quando a energia excede este valor ótimo, a quantidade de plástico fundido é elevada e o material soldado é propenso a deformações.
Se a energia for demasiado baixa, a soldadura resultante não é firme, e a pressão aplicada também não deve ser demasiado elevada. A pressão óptima é o produto do comprimento do bordo da peça a soldar e a pressão óptima por milímetro do bordo.
1. Ampla gama de aplicações:
a. Pode processar metais tradicionalmente difíceis de maquinar e não metálico materiais como aço temperado, aço inoxidável, titânio, ligas e, especialmente, materiais não condutores não metálicos como vidro, cerâmica, quartzo, silício, ágata, pedras preciosas e diamantes. Também pode processar materiais duros condutores materiais metálicos como o aço temperado e as ligas duras, embora com menor produtividade.
b. Adequado para processar furos profundos, peças de paredes finas, hastes finas, componentes de baixa rigidez e peças de formas complexas com requisitos elevados.
c. Ideal para maquinagem de precisão de elevada exatidão e baixa rugosidade da superfície componentes.
2. Força de corte e consumo de energia reduzidos:
Devido ao impacto instantâneo localizado, a maquinação ultra-sónica impõe uma força de corte macroscópica mínima, resultando numa redução da tensão de corte e do calor.
3. Elevada precisão de maquinação e baixa rugosidade superficial:
A maquinação por ultra-sons pode atingir uma elevada precisão de maquinação (precisão dimensional até 0,005-0,02 mm) e uma baixa rugosidade superficial (valor Ra de 0,05-0,2). O processo não deixa tensão residual ou marcas de queimadura na superfície maquinada, tornando-o adequado para componentes de paredes finas, fendas estreitas e baixa rigidez.
4. Adequado para processar cavidades de formas complexas e superfícies moldadas.
5. As ferramentas podem ser feitas de materiais relativamente macios com formas complexas.
6. O equipamento de maquinagem por ultra-sons tem geralmente uma estrutura simples, o que facilita o seu funcionamento e manutenção.
A velocidade de maquinagem refere-se à quantidade de material removido por unidade de tempo e é expressa em mm3/min ou g/min.
Os factores que influenciam a velocidade de maquinagem incluem a amplitude e a frequência da ferramenta, a pressão de alimentação, o tipo e a dimensão das partículas do abrasivo, o material da peça de trabalho e a concentração da suspensão abrasiva.
a. Influência da amplitude e da frequência da ferramenta:
Uma amplitude excessiva e uma frequência elevada podem sujeitar a ferramenta e a haste de amplitude a uma elevada tensão interna. A amplitude é geralmente entre 0,01-0,1mm, e a frequência é entre 16.000-25.000Hz.
Na maquinagem real, é necessário ajustar a frequência de ressonância de acordo com as diferentes ferramentas para obter a amplitude máxima e alcançar uma maior velocidade de maquinagem.
b. Influência da pressão de alimentação:
A ferramenta deve ter uma pressão de avanço adequada durante a maquinagem. Uma pressão demasiado baixa aumenta a distância entre a face final da ferramenta e a superfície da peça de trabalho, reduzindo a força de impacto do abrasivo sobre a peça de trabalho.
O aumento da pressão reduz a folga, mas quando a folga diminui até um certo ponto, reduz a circulação e a velocidade de renovação do abrasivo e do fluido de trabalho, diminuindo assim a produtividade.
c. Influência do tipo de abrasivo e da dimensão das partículas:
Durante a maquinagem, podem ser seleccionados diferentes abrasivos para materiais com diferentes resistências. Uma maior resistência do abrasivo resulta numa maior velocidade de maquinação, mas o custo também deve ser considerado. Para o processamento de materiais como pedras preciosas ou diamantes, devem ser utilizados abrasivos de diamante.
O carboneto de boro é adequado para maquinar aço endurecido e ligas duras, enquanto os abrasivos de óxido de alumínio são utilizados para processar materiais como vidro, quartzo, silício e germânio.
d. Influência do material da peça de trabalho:
Os materiais duros e frágeis são mais fáceis de remover durante a maquinagem, enquanto os materiais com boa tenacidade são mais difíceis de processar.
e. Influência da concentração da suspensão abrasiva:
Uma menor concentração de suspensão abrasiva significa menos partículas abrasivas na fenda de maquinagem, o que pode levar a uma diminuição significativa da velocidade de maquinagem, especialmente para grandes áreas de superfície e profundidades.
O aumento da concentração de abrasivos melhora a velocidade de maquinação, mas uma concentração excessivamente elevada pode afetar a circulação e o impacto das partículas abrasivas na área de maquinação, levando a uma diminuição da velocidade de maquinação.
A precisão da maquinagem por ultra-sons é influenciada pela precisão da máquina-ferramenta e do dispositivo de fixação, bem como pela dimensão das partículas abrasivas, pela precisão e desgaste da ferramenta, pela magnitude da vibração lateral, pela profundidade de maquinagem e pelas propriedades do material da peça.
A maquinação por ultra-sons proporciona uma excelente qualidade de superfície, sem gerar camadas superficiais ou marcas de queimadura. A rugosidade da superfície depende principalmente do tamanho das partículas abrasivas, da amplitude ultra-sónica e da dureza do material da peça.
A menor dimensão das partículas abrasivas, a menor amplitude ultra-sónica e o material mais duro da peça de trabalho conduzem a uma melhor rugosidade da superfície, uma vez que o valor da rugosidade é determinado principalmente pela dimensão e profundidade das ranhuras deixadas pelo impacto de cada partícula abrasiva no material da peça de trabalho.
Embora a produtividade da maquinação por ultra-sons seja inferior à da maquinação por descarga eléctrica e da maquinação eletroquímica, a sua precisão de maquinação e a qualidade da superfície são superiores.
É importante salientar que pode processar materiais semicondutores e não metálicos duros e quebradiços, tais como vidro, cerâmica, quartzo, silício, ágata, pedras preciosas e diamantes, que são difíceis de maquinar utilizando outros métodos.
Além disso, é frequentemente utilizado nas fases finais de acabamento do aço endurecido, liga dura moldes, matrizes de trefilagem e moldes de plástico processados por maquinagem por descarga eléctrica, para reduzir ainda mais a rugosidade da superfície.
A maquinação por ultra-sons é utilizada principalmente para processar furos circulares, furos moldados, cavidades, encaixes e microfuros em materiais frágeis e duros.
A maquinação por ultra-sons é adequada para cortar materiais frágeis e duros, tais como cerâmica, quartzo, silício e pedras preciosas, que são difíceis de cortar utilizando métodos convencionais. Oferece vantagens como fatias finas, cortes estreitos, alta precisão, alta produtividade e boa relação custo-benefício.
Este método baseia-se no efeito de cavitação produzido pela solução de limpeza sob a ação de ondas ultra-sónicas. O forte impacto gerado pela cavitação actua diretamente sobre a superfície a limpar, fazendo com que os resíduos se desintegrem e se soltem da superfície.
Este método é utilizado principalmente para a limpeza de precisão de peças de precisão de pequena e média dimensão com geometrias complexas, em que outros métodos de limpeza são menos eficazes, especialmente para furos profundos, microfuros, furos curvos, furos cegos, ranhuras, fendas estreitas, etc. Proporciona uma elevada produtividade e taxas de purificação.
Atualmente, é aplicado na limpeza de componentes de semicondutores e de circuitos integrados, peças de instrumentos, dispositivos electrónicos de vácuo, componentes ópticos e instrumentos médicos.
A soldadura por ultra-sons utiliza a vibração ultra-sónica para remover a película de óxido da superfície das peças de trabalho, expondo a superfície do material de base. O impacto vibratório de alta velocidade entre as duas superfícies soldadas da peça de trabalho provoca o aquecimento por fricção e a ligação.
Pode ser utilizado para soldar nylon, plásticos e produtos de alumínio propensos à formação de película de óxido. Também pode ser utilizado para aplicar estanho ou prata nas superfícies de cerâmica e outros materiais não metálicos, melhorando a sua soldabilidade.
Para aumentar a velocidade de maquinagem e reduzir o desgaste da ferramenta na maquinagem de materiais de metal duro, como ligas duras e ligas resistentes ao calor, é utilizada a maquinagem combinada assistida por ultra-sons com maquinagem eletroquímica ou por descarga eléctrica.
Isto é frequentemente utilizado para maquinar furos ou ranhuras estreitas em componentes como injectores de combustível e placas de trefilagem, resultando numa produtividade e qualidade significativamente melhoradas.
Corte por vibração ultra-sónica (por exemplo, torneamento), perfuraçãoO corte de roscas) também foi desenvolvido ao longo de várias décadas como uma nova tecnologia para maquinagem de precisão e materiais difíceis de cortar, reduzindo as forças de corte, a rugosidade da superfície, o desgaste da ferramenta e aumentando a produtividade.
Algumas das aplicações mais utilizadas incluem o torneamento por vibração ultra-sónica, a retificação por vibração ultra-sónica, a maquinação ultra-sónica de orifícios profundos, orifícios pequenos e roscagem, entre outras.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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